Um objetivo fundamental de muitos estudos de física é observar experimentalmente fenômenos exóticos além do Modelo Padrão (SM) que são previstos por modelos teóricos. Isso inclui modelos de vale oculto, que preveem a existência de um setor escuro no qual partículas e interações são governadas por uma força escura e forte. As partículas e interações previstas por esses modelos podem ter assinaturas de decaimento distintas.

Em um artigo recente publicado na Physical Review Letters , a grande equipe de físicos de partículas envolvida no experimento CMS (Compact Muon Solenoid) no CERN publicou os resultados da primeira busca por padrões de energia suaves não agrupados (SUEPs), um sinal distinto que os modelos de vale oculto preveem que surgiria de colisões de partículas de alta energia.

"Os SUEPs fazem parte de uma família maior de teorias que buscam estender o Modelo Padrão para cobrir os fenômenos inexplicáveis que observamos em nosso universo: matéria escura , assimetria matéria-antimatéria, etc.", disse Luca Lavezzo, da equipe de pesquisa do CMS, ao Phys.org.

"Em particular, elas são uma das muitas previsões que surgem das teorias do vale oculto. Propostas pela primeira vez por Matt Strassler e Kathryn Zurek há quase duas décadas, essas teorias postulam um 'setor escuro' separado do SM, com sua própria força forte e 'confinante', semelhante à força forte que no SM liga quarks e glúons em estados como prótons, nêutrons e outros hádrons."

Modelos de vale oculto fazem previsões teóricas interessantes, a maioria das quais ainda não foi testada experimentalmente. Isso ocorre porque, quando essas teorias foram introduzidas pela primeira vez, a busca pelos setores escuros que elas previram usando métodos experimentais existentes foi considerada impossível, portanto, essas buscas foram adiadas para pesquisas futuras.

"Alguns anos atrás, quando as buscas por setores escuros complexos ganharam mais interesse na comunidade, teóricos e experimentalistas novamente consideraram as estranhas previsões das teorias do vale oculto, e perceberam que algumas delas estavam finalmente acessíveis em aceleradores", disse Lavezzo.

"Padrões de energia suaves não agrupados ou SUEPs, jatos semivisíveis e jatos emergentes foram a primeira geração de pesquisas que tiveram como alvo previsões específicas de vales ocultos, todas publicadas nos últimos anos."

Modelos de vale oculto preveem que colisões de partículas de alta energia podem dar origem a assinaturas específicas, a saber, SUEPs. Em colisores de partículas, como o que coleta dados para o experimento CMS, essas assinaturas apareceriam como muitas partículas de baixo momento distribuídas em um padrão esférico.

"Esta é uma assinatura bastante distinta comparada ao que esperamos ver do SM, mas pode ser difícil distinguir um SUEP em um evento típico de colisão, porque há várias dezenas de colisões simultâneas, cada uma das quais produz muitas partículas de baixa energia", explicou Lavezzo.

Para contornar os desafios que impediam os pesquisadores de procurar por essas partículas no passado, a CMS Collaboration primeiro teve que garantir que a partícula que produz um SUEP (ou seja, o "portal" que conecta os modelos SM e Hidden Valley) esteja recuando contra uma partícula SM, que no caso do experimento da equipe era um jato. Esse recuo produz um evento no qual ambas as partículas têm níveis de energia consideráveis ??e ainda equilibrados, que podem ser acionados no jato SM.

"Com essa estratégia, o SUEP se torna menos esférico e começa a se assemelhar a uma versão mais ampla de um jato SM, que é uma chuva de partículas de um glúon ou quark", disse Lavezzo. "O jogo agora se tornou distinguir entre jatos SM e SUEPs. No entanto, é muito difícil obter previsões confiáveis usando nossas técnicas tradicionais nesses ambientes e eventos complicados, o que é necessário para comparar nossa medição com a teoria para que possamos decidir se há evidências de SUEPs ou se tudo é como o SM prevê."

Para conduzir sua busca, a colaboração CMS decidiu estimar a contribuição de eventos SM diretamente dos dados que eles observaram. Ao fazer isso, eles usaram o método ABCD estendido, uma abordagem para estimar a contribuição SM na região do sinal.

"Somos a primeira busca por SUEPs em colisores e fomos capazes de excluir muito do espaço de fase disponível para teorias de SUEP, e fornecemos um conjunto de técnicas que esperamos que sejam expandidas em pesquisas futuras", disse Lavezzo. "Ao apresentar esses resultados, recebemos muitos comentários interessantes de teóricos (até mesmo de Matt Strassler, que primeiro teorizou SUEPs) que ficaram animados por termos conseguido alguns resultados experimentais para esses modelos e que agora mais ideias poderiam ser testadas."

A busca recente realizada por este grupo de pesquisa define novas restrições que podem orientar esforços futuros na observação de SUEPs em colisores de partículas. Embora os modelos de vale oculto assumam que os SUEPs serão totalmente visíveis (ou seja, todas as partículas do setor escuro decaem de volta para o SM), isso pode não ser necessariamente o caso.

"SUEPs poderiam decair para o SM após algum tempo de vida, ou alguns deles poderiam ser estáveis e invisíveis, o que apareceria como assinaturas diferentes que podem ter escapado de buscas anteriores", acrescentou Lavezzo. "Buscas mais direcionadas também poderiam ser realizadas onde a nossa não foi otimizada; em particular, portais de baixa massa permanecem razoavelmente sem restrições."